Divisor de potência Wilkinson de microfita vs. divisor de potência de cavidade: qual deve escolher para um sistema DAS 5G?

Ambos são divisores de potência. Um tem o tamanho da palma da mão e custa alguns dólares. O outro é um pedaço de metal que custa dez vezes mais. Para onde vai esse dinheiro? E vale a pena?

Se projeta sistemas DAS, provavelmente já se deparou com esta questão em algum momento.

Com a implantação do 5G, as frequências estão a aumentar, os níveis de potência estão a subir e os requisitos de PIM estão a tornar-se mais rigorosos. Os antigos divisores de microfita, que funcionavam bem para cobertura em interiores, começam a falhar quando são utilizados em instalações de grande escala ou em configurações de alta potência. Por outro lado, os divisores de cavidade têm um excelente desempenho, mas são volumosos e caros – utilizá-los num projeto de pequena dimensão parece um exagero.

Este artigo evita as explicações teóricas e apresenta-lhe as diferenças reais, do ponto de vista da engenharia, entre estes dois tipos de divisores.

A Topologia de Wilkinson: Uma Introdução Rápida

Vamos deixar uma coisa bem clara.

A Divisor de potência Wilkinson é uma topologia de circuito específica – utiliza dois linhas de transmissão de quarto de onda e um resistência de isolamento para repartir a potência de forma equitativa. Num sistema de 50 Ω, as linhas de quarto de onda têm uma impedância característica de 70,7 Ω, e um resistor de 100 Ω faz a ponte entre as duas portas de saída. Esse resistor é fundamental — quando as cargas nas duas saídas estão desequilibradas, a potência refletida é dissipada no resistor, em vez de oscilar entre as portas.

A divisor de Wilkinson de microfaixa implementa esta topologia numa placa de circuito impresso (PCB) – as linhas de microfita são gravadas num substrato dielétrico e a resistência de isolamento é soldada. A divisor de cavidade, em contrapartida, utiliza uma estrutura coaxial no interior de uma caixa metálica usinada – sem placa de circuito impresso, sem perdas dielétricas e sem resistência de isolamento.

Princípios diferentes, desempenho muito diferente.

Perda de inserção: os divisores de cavidade levam a melhor por larga margem

Divisores Wilkinson de microfita apresentam três fontes de perda: a perda teórica de divisão (3 dB para um divisor de 2 vias, 4,8 dB para um divisor de 3 vias, 6 dB para um divisor de 4 vias), a perda dielétrica do substrato da placa de circuito impresso (tan δ) e a perda nos condutores das faixas de microfita. A perda adicional acima do valor teórico é normalmente de 0,3 a 0,5 dB. Por si só, isso pode não parecer muito, mas num DAS, os divisores são ligados em cascata — um divisor de 4 vias que alimenta três divisores de 2 vias faz com que as perdas se acumulem rapidamente. Quando o sinal chega à antena, uma grande parte já se perdeu.

Separadores de cavidades utiliza o ar como dielétrico – sem perdas dielétricas. Os condutores são revestidos a prata para garantir uma excelente condutividade. As perdas excessivas são normalmente <0,1 dB. A série de divisores de cavidade de 790‑2700 MHz da MS TELERF, por exemplo, apresenta uma perda total (incluindo os 3 dB teóricos) de apenas 3,1‑3,3 dB no caso dos modelos de 2 vias – isso significa que a perda excedente é de apenas 0,1 a 0,3 dB.

Em números simples: para o mesmo divisor de 2 vias, a versão com cavidade oferece Mais 0,2-0,4 dB de potência de saída do que a versão em microfaixa. Num sistema DAS 5G com um orçamento de ligação apertado, esses 0,3 dB podem fazer a diferença entre um “bom sinal” e “chamadas interrompidas na periferia”.”

Capacidade de potência: 100 W vs. 200 W+

Divisores Wilkinson de microfita são limitados pela resistência de isolamento e pelas próprias faixas de microfita. Ao aumentar a potência, a resistência aquece, as faixas aquecem, a perda dielétrica aumenta e o desempenho deteriora-se. Normalmente, funcionam bem até 100W; para além disso, a situação torna-se complicada. O divisor de 4 vias de microfita da MS TELERF, com uma gama de frequências de 2000 a 8000 MHz, tem uma potência nominal de 30 W – destina-se a utilização em laboratório e a cenários interiores de baixa potência.

Separadores de cavidades possuem uma estrutura totalmente metálica, sem resistências que possam aquecer. A potência nominal começa em 200W e podem atingir 500 W ou mais. Os divisores de cavidade de 790‑2700 MHz da MS TELERF suportam 200W de potência média, e a série de cavidades de 600-6000 MHz suporta 200-300 W em onda contínua (CW).

As RRU macro costumam emitir dezenas a centenas de watts e, quando se combinam várias portadoras, a potência total é ainda maior — os divisores de cavidade aguentam essa potência; os divisores de microfita, por sua vez, queimariam.

Isolamento de portas: a microstrip leva a melhor nesta

Esta é uma das poucas áreas em que os divisores de microfita se destacam.

Divisores Wilkinson de microfita tem essa resistência de isolamento, que proporciona ≥20dB de isolamento entre as portas de saída. Se uma saída entrar em curto-circuito ou se o VSWR da antena se deteriorar, a maior parte da potência refletida é absorvida pelo resistor e não se propaga para a outra saída. Isso constitui uma verdadeira vantagem nos sistemas com várias antenas – uma antena com defeito não prejudica todo o sistema.

Separadores de cavidades não possuem uma resistência de isolamento. Se uma saída estiver em circuito aberto ou em curto-circuito, a potência refletida regressa diretamente à entrada. Isso significa que os divisores de cavidade exigem um melhor VSWR no lado da saída – se as suas antenas e cabos de alimentação não estiverem à altura, um divisor de cavidade pode, na verdade, causar mais problemas do que um divisor de microfita.

Mas eis o senão: mesmo sem um resistor, os divisores de cavidade ainda conseguem ≥25–30 dB isolamento. Esse isolamento resulta da distribuição do campo eletromagnético no interior da cavidade, e não da dissipação resistiva. Por isso, o isolamento de um divisor de cavidade não é, na verdade, pior — o mecanismo é apenas diferente.

VSWR: Os divisores de cavidade são melhores

O VSWR indica o grau de adaptação da impedância de entrada.

Divisores Wilkinson de microfita têm normalmente um VSWR de 1,3‑1,4. Às frequências mais elevadas, as perdas por radiação e os efeitos parasíticos nas linhas de microfita agravam-se, e a relação de onda estacionária (VSWR) deteriora-se em consequência disso.

Separadores de cavidades pode conseguir ≤1.25 VSWR. O divisor de cavidade de 300‑4000 MHz da MS TELERF mantém um valor ≤1,30 em toda a gama de 380‑4000 MHz. No caso de amplificadores de potência e transmissores, um VSWR mais baixo significa menos potência refletida, menos calor e uma vida útil mais longa do equipamento.

Desempenho do PIM: os divisores de cavidade têm uma vantagem natural

O PIM assume cada vez mais importância nos sistemas 5G. Tal como referido anteriormente, a utilização de componentes com baixo PIM constitui a melhor prática do setor para aplicações de telemóvel.

Divisores Wilkinson de microfita existem várias fontes de PIM: não-linearidades no substrato da placa de circuito impresso, oxidação nas juntas de solda e efeitos parasíticos provenientes do resistor de isolamento. Estas não-linearidades agravam-se a frequências mais elevadas.

Separadores de cavidades são fabricados com materiais não magnéticos e revestimento de precisão. Sem PCB, sem resistências, sem juntas de solda – o que, para começar, reduz as fontes de PIM. Os divisores de cavidade de 600-2700 MHz da MS TELERF alcançam ≤‑153 dBc (@2×43 dBm), e alguns modelos chegam a atingir -160 dBc ou melhor.

No caso das redes 5G que utilizam modulação 256-QAM ou mesmo 1024-QAM, um baixo nível de PIM é um pré-requisito para manter a relação sinal-ruído e atingir essas elevadas taxas de transmissão de dados.

Em resumo: qual é a opção mais adequada para o seu projeto?

Escolha o Wilkinson de microfita quando:

• Está a realizar coberturas em espaços interiores ou aplicações de baixa potência, inferiores a 100 W
• O espaço é reduzido e não é possível instalar um divisor de cavidades volumoso
• O orçamento é uma preocupação
• É necessária uma proteção de isolamento porta a porta (para que uma saída com falha não afete as outras)

Escolha a cavidade quando:

• Está a instalar sites de macro ou sistemas exteriores de alta potência com mais de 100 W
• Cada 0,1 dB de perda é importante e o seu orçamento de ligação é apertado
• A instalação no exterior requer proteção contra intempéries de nível IP65 e durabilidade a longo prazo
• Tem requisitos rigorosos em matéria de PIM para suportar modulação de ordem elevada
• Queres algo que funcione durante anos sem necessidade de manutenção

Uma regra prática simples: olha o que está ao lado do divisor. Se se tratar de uma BBU numa sala de equipamentos, a antena de microfita provavelmente serve. Se for uma RRU numa torre, opte por uma antena de cavidade.

A MS TELERF oferece ambos os tipos. A linha de Wilkinson de microfita abrange 500–8 000 MHz – ideal para sistemas DAS em interiores, Wi-Fi 6E/7 e ambientes laboratoriais. A gama de divisores de cavidade abrange 300–6000 MHz – Concebido para instalações de grande dimensão, implantações ao ar livre e sistemas DAS de alta potência. Qual escolher? Deixe que sejam os níveis de potência e o ambiente de instalação a decidir.

Se tiver dúvidas sobre a escolha de divisores ou precisar de especificações detalhadas e relatórios de testes, não hesite em contactar a equipa técnica da MS TELERF.